换乘站基坑开挖对既有地铁车站的影响分析

福州轨道交通设计院有限公司，福建 福州 350001

0 前言

随着我国城市地铁快速发展，地铁换乘站的建设越来越多，本文以先后施工的十字交叉换乘站为例分析基坑开挖对既有地下车站的影响。基坑开挖土体卸载导致基底土体回弹与基坑开挖围护变形导致外侧土体沉降共同作用影响既有车站的变形与受力，通过计算模拟并结合实测数据分析出主要影响因素，同时参考其他类似工程［1］。

本文依据MIDAS/GTS 为平台进行分析，根据实际施工情况划分出关键步骤，通过建模分析换乘站后期基坑开挖对既有车站的影响，并结合实测数据，对现场施工给出具体的指导意见。

1 工程概况

5 号线某某站（在建）与2 号线某某站（已运营）采用十字交叉，T 型换乘设置。2 号线某某站标准段为地下双层三跨箱形框架结构，底板埋深约15.8m；换撑节点为地下三层三跨箱形框架结构，埋深约25m。5 号线某某站为地下三层三跨箱形框架结构，基坑深约23.7m，基坑宽25.6m，基坑长304m。基底为＜2-4-2＞淤泥质土，车站主体基坑开挖范围内主要为杂填土、粗中砂，基坑底部主要为淤泥质土、淤泥夹砂、粉细砂、卵石层、砂土状强风化花岗岩。主体基坑采用1000mm厚连续墙+内支撑围护形式。具体如下图：

图1 5 号线某车站与2 号线某车站平面关系图

图2 5 号线某车站与2 号线某车站剖面图

2 影响数值分析

2.1 计算参数

表1 土层物理力学性质表

表2 结构物理力学性质表

2.2 模型假定条件

在计算分析之前，首先设置如下假定条件：

（1）地铁车站结构变形与该处土体变形一致的假设。地铁结构刚度与土体相差极大，实际情况下，结构变形不会与土体变形保持一致，应小于土体变形。但在小变形情况下，可以认为两者近似相同［2］。

（2）计算中不考虑地层的次固结及蠕变沉降，且不考虑地铁车站结构先期沉降量。

（3）计算中不考虑地下水及基坑施工地下水动态变化的影响。仅考虑本次施工过程对车站结构的变形影响。

2.3 有限元模型

根据既有2 号线某车站主体结构位置与5 号线某车站基坑位置，采用MIDAS/GTS 软件。建立三维弹塑性有限元模型进行分析，如图3、4、5、6 所示。模型尺寸为260m（沿2 号线某车站方向）×170m（沿5 号线某车站方向）×70m（土层厚度），本次三维数值模拟计算里，土体采用实体单元修正莫尔库伦模型，车站顶板、中板、底板、侧墙、地连墙和立柱桩采用平面单元，顶梁、中梁、支撑采用梁单元，下图为计算模型。

图3 有限元模型网格划分1

图4 有限元模型网格划分2

图5 对称开挖模型

图6 非对称开挖模型

对称开挖施工步序：5 号线某车站南北区基坑对称分层开挖，随挖随撑。根据基坑开挖施工步序，分析施工对车站的影响分为5 个工况。初始工况为未开挖时，架设第一道砼支撑，工况1 为开挖至第二道支撑位置，架设第二道钢支撑；工况2为开挖至第三道支撑位置，架设第三道砼支撑；工况3 为开挖至第四道支撑位置，架设第四道钢支撑；工况4 为开挖至第五道支撑位置，架设第五道钢支撑；工况5 为开挖至坑底。

非对称开挖施工步序：5 号线某车站先施工北区基坑后施工南区二期基坑，分层开挖随挖随撑。根据基坑开挖施工步序，分析施工对车站的影响分为10 个工况。初始工况均为未开挖时，架设第一道砼支撑，工况1～5 为北区基坑开挖：工况1 为开挖至第二道支撑位置，架设第二道钢支撑；工况2 为开挖至第三道支撑位置，架设第三道砼支撑；工况3 为开挖至第四道支撑位置，架设第四道钢支撑；工况4 为开挖至第五道支撑位置，架设第五道钢支撑；工况5为开挖至坑底。工况6～10为南区二期基坑开挖，开挖步序与北区基坑相同。

2.4 影响分析

对称开挖：

表3 2 号线某车站位移变化值

非对称开挖：

表4 2 号线某车站位移变化值

表5 2 号线某车站变形统计表

3 实测数据分析

2 号线某车站监测点左右线对称埋设，影响区域（K22+569～K22+731）范围，基坑垂直投影范围每 3 m埋设1个断面，1 倍影响范围每5m 布设1 个监测断面，1 至2 倍影响倍范围每10m 布设1 个监测断面，左、右线各埋设27 个监测断面。每个断面布设 3～4 个监测点（车站顶部1 个，底部1 个，道床2个），左、右线各埋设95 个监测点。

图7 2 号线某车站右线Z 方向位移累计变形时程曲线图

图8 2 号线某车站左线Z 方向位移累计变形时程曲线图

本计算模型考虑到既有2 号线车站底部的立柱桩的抗拔作用，并考虑坑内加固措施，计算结果为上抬5.25mm，在开挖过程中对2 号线车站进行实时监测，得到右线的位移实测数据为4.6mm，左线的位移实测数据为4.7mm 与计算结果接近。

4 结论及建议

4.1 结论

由于5 号线某车站与2 号线某车站采用十字交叉，T 型换乘设置，5 号线某车站基坑紧贴2 号线某车站主体换乘段两侧施工，其施工将改变周边一定范围内土体应力状态，导致影响区内地层产生附加变形，进而对邻近既有车站结构产生影响。采用三维有限元数值模拟计算5 号线某车站基坑开挖对2 号线某车站结构的影响，通过结合计算与实测数据进行分析得出主要结论如下：

（1）5 号线某车站基坑开挖后，土体卸载导致基底土体回弹、换乘节点的2 号线地连墙侧阻力损失及基坑开挖地连墙变形导致外侧土体沉降共同作用影响2 号线某车站主体的变形与受力，其中土体回弹起到主导作用［3］。5 号线某车站为地下三层车站，开挖深度较深（约23.5m），卸载荷载大，且坑内存在较厚淤泥质土（约24m），故基坑开挖回弹作用对2 号线车站影响较大，最大竖向变形在临近基坑的换乘段变形值为5.25mm。

（2）非对称开挖工况下，2 号线某车站主体水平最大位移为1.0710mm，竖向最大位移为5.2518mm；轨道纵向差异沉降坡度0.00254%，轨道横向高差0.148mm。考虑到非对称开挖施工工期较长，分析计算未考虑土体蠕变变形，实际施工非对称开挖对车站变形的影响会更大。

（3）5 号线某车站南北区基坑非对称开挖对2 号线某车站底板应力影响较小（约为4%），主要考虑车站的变形影响。

4.2 建议

（1）基坑开挖严格按照工序进行施工，随挖随撑不得超挖。考虑基坑开挖的时空效应，必须分段、分层、分区进行开挖。建议由换乘段两侧往车站两端对称进行开挖，若无条件进行对称开挖时，应采取措施控制车站水平和竖向不均匀变形。

（2）建议在换乘段两侧基坑采用裙边加固，固结土体减小开挖的影响。

（3）基坑开挖到底后，应及时施做车站底板，减少基底暴露时间。

（4）建议完善局部围护支撑体系，临近换乘节点处南北两个结构段增加钢支撑伺服系统，实时掌握支撑轴力和地连墙变形，动态调控，有利于对2 号线既有车站的保护。

（5）根据各阶段分析计算并结合实测数据，主要变形表现在换乘段区域，建议加厚换乘段底板。

（6）根据轨道交通运营安全的要求，制定相应的监测保护标准，在施工全过程中加强监测，确保运营和结构安全。